Кушнір В.П. Створення вихідного селекційного матеріалу гречки на основі старших поколінь мутантів та нових мутагенів

Короткий зміст

У вступі обгрунтована необхідність та актуальність виконання даної роботи, її наукова новизна, відображена апробація роботи, наведені обсяг публікацій та декларація особистого внеску автора.

ОГЛЯД  ЛІТЕРАТУРИ

На підставі аналізу літератури вітчизняних та зарубіжних авторів з питань теорії індукованого мутагенезу сільськогосподарських культур,  стану досліджень практичного використання інду­кованого мутагенезу, як методу створення вихідного матеріалу виз­начені морфо-біологічні ознаки, за якими буде вестись селекція культури.

УМОВИ, МАТЕРІАЛ ТА МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ

Дослідження проводились в період з 1995 по 1997 роки в Нау­ково-дослідному інституті круп'яних культур Подільської державної аграрно-технічної академії.

Польові досліди закладались в селекційній сівозміні інститу­ту, розміщеної на дослідному полі академії, що знаходиться в пів­денній лісостеповій частині Хмельницької області, яка по теплозабезпеченості та ступенем зволоженості  протягом вегетаційного пе­ріоду відноситься до південного теплого агрокліматичного району.

Вивчались мутанти старших поколінь, одержаних під дією гамма-променів у сортів Радехівська поліпшена, Вікторія та Аеліта на протязі 12-33 поколінь дозами 5; 100; 200; 250; 300 Гр.

А також мутанти одержані під впливом насичуючого в поколін­нях опромінювання у сорту Радехівська поліпшена М₃₃-5 Гр., М₂₉-300 Гр., Вікторія М₂₈-5; 10; 100 Гр., М₂₅-200 Гр., М₂₄-300 Гр., Ае­літа М₂₀-100 Гр., М₂₁-200; 300 Гр.

Для одержання нових мутантів використовували хімічні мутаге­ни та фізичні радіаційні промені. Цими мутагенами оброблялось на­сіння гібридів. Обробка насіння мутагенами проводилась в інститу­ті фізіології та генетики рослин НАН м. Київ. Насичуюче опроміню­вання в 1996 та 1997 роках проводилось в Аграрному Університеті Молдови м. Кишинів.

Були використані слідуючі хімічні мутагени в концентраціях:

N - нітрозоетилсечовина  (НЕС) 0.05; 0.025; 0.012%

N - нітрозометилсечовина (НМС) 0.02; 0.01; 0.005%

      етиленімін (ЕІ) 0.02; 0.01; 0.005%

Обробка насіння проводилась шляхом замочування в розчині му­тагену з експозицією 18 годин з послідуючим промиванням в проточ­ній воді на протязі однієї години. Контроль – насіння, яке замочува­лось у воді.

Радіаційні гама - промені застосовувались в дозах 100; 200; 300 Гр. Обробка насіння променями здійснювалась на приладі "Исс­ледователь", потужністю 8.3 р/сек, джерело ⁶⁰Со.

Вивчалась також комбінаційна (сумісна) дія всіх хімічних мутагенів з фізичними в дозах 100 та 200 Гр. В даному випадку ра­діацією діяли на попередньо оброблене хімічними мутагенами насін­ня.

Для одержання М₁  всіма мутагенними факторами оброблялось по 300 насінин.

Залучений в мутаційний процес гібридний матеріал:

58/92 [(Altiramosum х Карлик) х (Вікторія х Зеленоквіткова) х Казанку] - різновидність alata, висота рослин 113 см, вегета­ційний період 87 днів, середня врожайність 16.9 ц/га, маса 1000 зерен 29.0 г, вирівняність 83.1%, плівчастість 25.3%.

115/92 [Казанка х Вікторія Подільська] - різновидність alata, висота рослин 118 см, вегетаційний період 86 днів, середня врожайність 18.8 ц/га, маса 1000 зерен 30.6 г, вирівняність 81%, плівчастість 24.7%.

101/92 [Вікторія Подільська х 112/83]- різновидність alata, висота 86 см, вегетаційний період 79 днів, середня врожайність 16.4 ц/га, маса 1000 зерен   29.1 г, вирівняність 86%, плівчастість 22.8%.

За стандарт взято сорт Вікторія, який теж оброблявся мутаге­нами.

Генотипічні розбіжності між залученим матеріалом добре ви­ражені феноти­пічно.

Закладка селекційних розсадників, оцінка матеріалу, аналізи рослин, врожаю і оцінка якості зерна проводилась згідно загальноприйнятої методики Держсортовипробування. Матеріал вивчався в умовах екранної ізоляції, створюваної за  допомогою тетраплоїдної гречки, запропонованої                     Е.Д. Неттевичем і Н.В. Фесенком і вдосконаленої О.С. Алексеєвою.

При виділенні хлорофільних мутацій користувались класифіка­цією запропонованою колективом співробітників Інституту експериментальної біології Академії наук Естонії і класифікацією мутацій, запропонованою           О.С. Алексеєвою, М.В. Роїком, П.А. Філіпчуком, Г.М. Гаврилюк в 1978 році.

Математичну обробку одержаних даних по частоті та спектру мінливості мутантів проводили в процентному відношенні відхилень від числа проаналізованих рослин.

Кліматичні умови в роки досліджень різнилися від середньо багаторічних, що дало можливість більш повно оцінити мутантний ма­теріал.

ПОЛЬОВА СХОЖІСТЬ, ВИЖИВАННЯ ТА МІНЛИВІСТЬ РОСЛИН ГРЕЧКИ В М₁

Аналізуючи використання різних засобів мутагенезу та їх ком­бінованої дії, слід відмітити, що їх використання приводить до різних кінцевих результатів, що підтверджується результатами дос­ліджень.

Критеріями оцінки мутагенного впливу на гречку в М₁ в нашому досліді служили польова схожість, виживання та мінливість рос­лин.

Підкреслюючи результати впливу різних доз гама-променів в М₁ на схожість насіння, можна зробити висновок: збільшення дози оп­ромінення приводить до зниження схожості по всіх варіантах досліду. Найбільше це відображено у варіантах з простим гібридом 101/92. Сорт Вікторія та номер 115/92 займають проміжне станови­ще, проте складний гібрид 58/92 виявився більш стійким до дії оп­ромінювання.

Під впливом хімічних мутагенів величина схожості насамперед залежала від виду мутагену. Так дія НМС у всіх концентраціях не привела до значного зниження схожості насіння і її величина зна­ходилась на рівні контролю.

НЕС викликала більш негативний вплив на величину схожості ніж НМС (79.6-86.2%).

Дія ЕІ привела до різкого зниження польової схожості у всіх досліджуваних концентраціях, по всіх варіантах досліду до 1.0-13.2%. З підвищенням концентрації мутагену польова схожість знижувалась. По ознаці "польова схожість" під впливом мутагенів проявились особливості досліджуваного матеріалу. Більш стійким до дії мутагенів виявився матеріал складного гібридного походження 58/92. Сорт Вікторія і номери 115/92 та 101/92 менш стійкими.

Сумісна дія хімічних мутагенів з фізичними спричинила приг­нічуючу дію на схожість, проте ступінь цього пригнічення, в першу чергу залежить від виду хімічного мутагену та дози опромінювання.

Найбільш сильний вплив на польову схожість спричинила комбінація мутагенів ЕІ + 200 Гр. (0.5 -2.6%).

У всіх варіантах досліду спостерігалось зниження польової схожості насіння гречки з підвищенням концентрації мутагену та дози опромінення. Польова схожість насіння визначається генотипом рослин, і це проявилось в першу чергу в результаті впливу на на­сіння мутагенних факторів. В наших дослідах найбільше зниження польової схожості спостерігалось у номерів 101/92 та 115/92. Сорт Вікторія і номер 58/92 виявились більш стійкими до дії мутагенних факторів.

Виживання рослин гречки у варіантах з гамма-опромінюванням зале­жить, насамперед, від дози опромінювання. Так доза 300 Гр. на всіх генотипах спричинила загибель сходів у фазі сім’ядолей. В літера­турі це явище описано як ефект "віддаленої загибелі". Проте у ва­ріантах із дозами 100 і 200 Гр. вона знаходилась відповідно в ме­жах 92.6-95.4% та 91.9-94.7% дещо змінюючись по генотипах. Збіль­шення дози опромінювання від 100 до 200 Гр. не привело до значного зниження виживання рослин гречки.

Аналізуючи виживання рослин у дослідах з хімічними мутагена­ми можна зазначити, що вона в певній мірі відповідає польовій схожості.

У варіантах  з НМС виживання                                                                 знаходилось на рівні контролю, а у варіан­тах з НЕС навіть вище. Проте в дослідах з ЕІ спос­терігалась чітка залежність від концентрації мутагену. Так для Вікторії і номера 101/92 концентрації 0.01 та 0.02% виявились летальними.

Найбільш стійким до дії хімічних мутагенів виявився мутант­ний матеріал складного гібридного походження 58/92.

Вивчення впливу сумісної дії хімічних мутагенів та радіацій­них променів на виживання рослин показало, що ця величина по всіх варіантах досліду набагато нижча ніж на контролі. Найбільший негативний вплив мутагенів проявився у варіантах з комбінацією ЕІ+гамма-опромінювання.

В комбінації мутагенів НМС+гамма-опромінювання з дозою радіації 100 Гр. спостерігався найбільш високий процент виживання рос­лин (25.9-79.0%), проте не спостерігалось чіткої залежності від концентрації мутагена.

Дія мутагенів високо-специфічна по генотипах і мутагенних факторах, проте більш чітко проявились генотипічні особливості і роль мутагенного фактора в більш пізніх фазах розвитку рослин гречки в М₁.

Найбільше змінених рослин індуковано в мутаційного матеріалу складного гібридного походження 58/92, менше у простих гібридів, і найменше змінених рослин викликали гамма-промені у сорту Вікто­рія.

Хімічні мутагени в рік обробки насіння спричинили                         сильний вплив .  Так у варіантах з НМС та НЕС індукована кількість рослин ненабагато перевищувала природній рівень мінливості, проте у  варіантах  з ЕІ ця величина сягала 100%, тобто в досліді спостерігався випадок відомий як феномен мутокросинговеру.

Найбільша кількість змінених рослин відмічалась у варіантах з гібридом 58/92, дещо менше у 115/92. Мінливість рослин у варіантах з сортом Вікторія та 101/92 майже однакова.

Ефективність впливу різних комбінацій хімічних мутагенів з гама-променями неоднакова. І визначається, в першу чергу, хімічним мутагеном та дозою гама-опромінювання.

МУТАБІЛЬНІСТЬ, ЧАСТОТА ТА СПЕКТР МУТАЦІЙ

В нашому досліді, процент мутантних рослин у сорту Вікторія в М₂ знаходився в межах 1.1 - 5.19% (рис. 1).

Найбільший процент мутантних рослин індуковано у варіантах з ЕІ (2.95%) та ЕІ+гамма-опромінювання (5.19%), найменше у варіантах з НМС та НЕС, відповідно 1.10 та 1.13%.

Середня мутабільність сорту складала 2.36%.

         У мутантного матеріалу складного гібридного походження 58/92 найбільший процент мутантних рослин спостерігався у варіанті з комбінацією мутагенів ЕІ+опромінювання 6.1%.

Найменша частота мутацій відмічалась у варіантах з опро­мінюванням (1.69%) та НМС (1.61%) і НЕС (1.65%).

Середня мутабільність матеріалу складного гібридного поход­ження склала 2.91%.

По кількості індукованих мутацій у номера 115/92 варіанти розміщувались в слідуючому порядку: НМС; НЕС; опромінювання; НМС+опромінювання; НЕС+опромінюваня; ЕІ+опромінювання.

Отже, найменшу частоту мутацій у номера 115/92 індуковано дією НМС (1.10%), а найбільшу 4.4% - у варіанті з комбінацією ЕІ+опромінювання.

Середня частота мутацій номера складала 2.39%.

Найбільшу частоту мутацій номера 101/92 індукувала сумісна дія ЕІ та гамма-опромінювання -3.70%.

Менш ефективним  виявився варіант з НМС, який забезпечив найменший процент мутацій - 1.11.

Середня мутабільність номера 101/92 склала 2.08%.

Таким чином, в М₂ серед  досліджуваних мутагенних факторів, най­більш ефективним виявилась комбінація ЕІ+гамма-опромінення та дія ЕІ, які індукували на всіх вивчаємих генотипах найбільшу частоту мутацій.

Найбільш мутабільним виявився мутантний матеріал складного гібридного походження 58/92. Частота мутацій у рослин сорту Вікторія та номера 115/92 знаходилась майже на одному рівні. Най­менш мутабільним виявився номер 101/92.

ЗНАЧЕННЯ ГЕНОТИПУ ТА МУТАГЕННОГО ФАКТОРА

Подальше вивчення матеріалу показало, що процент мутантних рослин гречки в М₃, значно вищий, ніж в М₂. Це пояснюється тим, що фенотипічний прояв мутацій розтягнутий на ряд поколінь, тому що розвиток багатьох ознак контролюється рядом взаємодіючих генетичних локусів.

Загальний процент мутантних рослин в М₃ значно вищий, ніж в М_2. Це результат того, що в старшому поколінні післядія мутаген­них факторів значно слабша і це дає можливість генотипу краще ре­алізувати свої можливості. Так, найбільшою загальною мутабільністю володіє матеріал складного гібридного походження 58/92, а далі в порядку зниження йдуть, 101/92,115/92, Вікторія.

ЧАСТОТА ТА СПЕКТР ХЛОРОФІЛЬНИХ МУТАЦІЙ

Встановлено, що частота та спектр хлорофільних мутацій слу­жить інди­катором ефективності експериментального мутагенезу.

Найбільша частота хлорофільних мутацій в М₁ спостерігалась на матеріалі складного гібридного походження 58/92 (0.28%), най­менша у сорту Вікторія (0.15%), у номерів 115/92 і 101/92 вона склала відповідно 0.21 та 0.17%.

В М₂ загальний процент хлорофільних мутацій дещо менший ніж в М₁. Проте загальна закономірність зберігалась, а саме: у мате­ріалу складного гібридного походження 58/92 він був найбільший (0.148%), а найменший у простого гібриду 101/92 (0.078%).

В М₁ та М₂ в спектрі хлорофільних мутацій переважають ле­тальні типи albina та xanta.

Аналіз рослин в М₃ показує, що загальний процент хлорофіль­них мутацій по всіх досліджуваних генотипах значно вищий, ніж в М₁ та М₂ і знаходиться в межах від 0.53% (у складного гібриду 58/92) до 0.34% (у номера 101/92). В М₃ поряд з летальними типами  зустрічаються і життєздатні.

ТИПИ ІНДУКОВАНИХ МАКРОМУТАЦІЙ У ГРЕЧКИ

Не всі мутагени в однаковій мірі впливають на мінливість різних сортів гречки і приводять до виникнення цінних мутацій.

Тривалий час зусилля дослідників, що працюють з індукованим мутагенезом були направлені на отримання і використання в селек­ції в основному різких мутацій з чітким фенотипічним проявом. Про­те, для більшості макромутантів характерна понижена життєздат­ність. Виділення і закріплення в поколіннях макромутацій гречки значно розширює її природний поліморфізм.

МІНЛИВІСТЬ ДЕЯКИХ КІЛЬКІСНИХ ОЗНАК

Наші дослідження мінливості кількісних ознак у гречки, інду­кованих гамма променями, хімічними мутагенами та сумісною дією хімічних та фізичних мутагенів, показали, що по деяких з них - ма­сі 1000 зерен, вирівняності та плівчастості - генотипічна мінли­вість в оброблених мутагенами популяціях була підвищена.

Нами встановлено, що варіація врожайності в межах встановле­них градацій в М₃ значно менша, ніж в М₂.

Для розширення природних меж варіабельності врожайності ви­хідного сорту та номерів  ефективними виявились варіанти з НЕС, ЕІ та радіаційним опромінюванням. Отриманий при їх допомозі мате­ріал, дав значний приріст врожайності в М₃.

Аналіз зерна мутантних популяцій за масою 1000 зерен в М₃ по­казав, що по всіх досліджуваних генотипах присутня варіабельність да­ної ознаки. Причому мутагенний фактор, що є високоефективним на одному генотипі, малоефективний на іншому, і навпаки. Тут прояв­ляється специфічність об’єкту та мутагенного фактора.

Збільшення маси 1000 зерен гречки сприяє і підвищенню плів­частості. Тонкоплівчасті номери як правило дрібноплідні.

Таким чином, під впливом сумісної дії мутагенів та гамма-оп­ромінювання у гречки можна отримати мутантні популяції з високими технологічними властивостями зерна, а саме крупноплідні, тонкоп­лівчасті та вирівняні. Проте у сорту Вікторія індукована мінли­вість показників крупності, плівчастості та вирівняності зерна виражена сильніше ніж у крупноплідного матеріалу.

ОСОБЛИВОСТІ ФОРМОТВОРЧОГО ПРОЦЕСУ МУТАНТІВ СТАРШИХ ПОКОЛІНЬ ГРЕЧКИ.

  Мінливість рослин є звичайним явищем. Вона систематично відбувається у перехресно­запиль­ників.  Проте її величина залежить не тільки  від  генотипу  досліджуваного  матеріалу,  але й від погодних умов. Проте дія радіації значно підвищує природній рівень мінли­вості.

У дослідах з Вікторією, Радехівською поліпшеною та Аелітою встановлено, що з віком мутантів кількість новоутворень поступово зменшується і, починаючи з М₁₀-М₁₃ відбувається стабілізація матеріалу до рівня вихідної популяції (рис.2.).

Характерно те, що у сорту мутаційного походження - Аеліти стабілізація матеріалу відбувається більш інтенсивно, і популяції необхідний менший проміжок часу для відновлення свого, обумовле­ного генотипічними властивостями, рівня мінливості.

Дещо відрізняються і спектри новоутворень у сортів Вікторія та Радехівська поліпшена від спектру сорту Аеліта. Якщо в перших переважають короткостебельні форми, рослини з вкороченим міжвуз­лям, одностебельні та рослини із зміненими суцвіттями та квітко­носами, то в спектрі новоутворень сорту Аеліта переважають висо­когіллясті форми, фасціації, гіганти, одностебельні та рослини із складними суцвіттями.

ВИКОРИСТАННЯ ПОВТОРНОГО  (НАСИЧУЮЧОГО) ОПРОМІНЕННЯ В  СЕЛЕКЦІЇ ГРЕЧКИ

Крім вивчення мутантного матеріалу старших поколінь, нами продовжувалось насичуюче в поколіннях опромінювання насіння гречки сортів Радехівська поліпшена, Вікторія та Аеліта.

Нашими дослідженнями встановлено той факт, що повторні опро­мінювання збільшують генотипічну мінливість, проте слабше, ніж перше. Насичуюче в поколіннях опромінювання сприяє накопиченню ново­утворень. Для всіх доз опромінювання характерно те, що з віком му­тантів в популяціях підвищується і рівень мінливості. Величина до­зи опромінювання сприяє насиченню популяції новоутвореннями. При дозі опромінювання 200 Гр. починаючи з М₁₇ ця величина складає 100%. Тобто в результаті тривалого опромінювання популяція набуває радіорезистентності, що приводить до зниження кількості депресив­них форм (рис.3.).

 В спектрі новоутворень переважали короткостебельні форми, рослини з вкороченим міжвузлям, зміненим суцвіттям та квітконоса­ми, гіганти. Ця особливість простежується по всіх сортах. В результаті насичуючого в поколіннях опромінювання із популяцій ви­падали не стійкі до впливу радіації форми, матеріал поступово стабілізувався що і простежувалось на короткостебельних мутаціях.

Аналіз мутантних популяцій по технологічних якостях зерна: масі 1000 зерен, вирівняності та плівчастості показав, що ці по­казники стабільні і знахо­дяться в межах контролю. Незначні відхи­лення простежуються в межах окремих років. Проте вони формувались під впливом погодних умов року і є несуттєвими.

Із мутантного матеріалу, одержаного під впливом багаторазо­вого опромінення насіння, відібрано ряд цінних форм, які передані в колекцію світового генофонду гречки (відділ мутантів) і вико­ристовуються в селекційному процесі, це високопродуктивні, круп­ноплідні з високою вирівняністю зерна, з одночасним достиганням, стійкі до полягання та комплексу поширених хвороб.

ХАРАКТЕРИСТИКА ПЕРСПЕКТИВНИХ НОМЕРІВ.

За останні роки в селекції гречки сформувався новий напря­мок - створення сортів з використанням мутантних алелей, що вклю­чені природним відбором в адаптивний геном (обмежене гілкування, детермінантність, вкороченість міжвузль та ін.).

Нами проведено вивчення і зроблено опис 7, форм відібраних в мутантних популяціях гречки у 1995 році.

Характерною особливістю всіх номерів була складна структура популяцій по ознаці ЗГС. Найбільш стислим спектром популяції за величиною ЗГС морфотипів характеризувались скоростиглі номери 141/95; 142/95. Їх популяції складались з чотирьох морфотипів (ЗГС - 2; 3; 4; 5.). Середньостиглі популяції мали в своєму скла­ді по п'ять морфотипів, в той час як у Вікторії шість.

Разом з тим, у всіх номерів відмічено вкороченість міжвузлів у зоні гілкування, найменший габітус спостерігався у детермінант­них форм 142/95 та 144/95. При аналізі архітектоніки листкової системи нашу увагу привернули дві особливості: у всіх селекційних номерів, незалежно від модельної кількості міжвузлів в зоні гіл­кування стебла, кількість листків в зоні розширення близька до п'яти. Отже, кількість листя в зоні розширення не має тісного зв’язку з величиною зони гілкування стебла і скорельована з трива­лістю вегетаційного періоду рослин.